Warum laufen viele Laptops mit 19 Volt?

Die Wahl von 19 Volt liegt daran, dass sie bequem unter 20 Volt liegt, was die maximale Ausgangsspannung von Netzteilen ist, die als LPS (Limited Power Source) mit nicht inhärenten Leistungsabgabegrenzen zertifiziert werden können.

Wenn Sie bei oder unter 20 Volt bleiben können, wird die ganze Sache mit der Sicherheitszertifizierung einfacher und billiger.

Um sicherzustellen, dass Sie innerhalb der Grenze für Fertigungstoleranzen liegen, gehen Sie 5 % niedriger, was 19 Volt entspricht. Da bist du ja. Es hat nichts mit der Organisation von Akkupacks oder LCD-Bildschirmen zu tun.

Jetzt gibt es Laptops, die externe Netzteile verwenden, die auf genau 19 Volt ausgelegt sind. Das ist kein Vielfaches von etwas Passendem. Verwundert mich sehr.

Dies ist keine Designfrage, wie sie gestellt wird, aber sie ist für das Design von Batterieladesystemen relevant.

Zusammenfassung:

• Die Spannung beträgt etwas mehr als ein Vielfaches der vollständig aufgeladenen Spannung eines Lithium-Ionen-Akkus – der Typ, der in fast jedem modernen Laptop verwendet wird.

• Die meisten Laptops verwenden Lithium-Ionen-Akkus.

• 19 V liefern eine Spannung, die zum Laden von bis zu 4 x Lithium-Ionen-Zellen in Reihe geeignet ist, wobei ein Abwärtswandler verwendet wird, um die Überspannung effizient abzubauen.

• Es können verschiedene Kombinationen von Serien- und Parallelzellen untergebracht werden.

• Spannungen knapp unter 19 V können verwendet werden, aber 19 V ist eine nützliche Standardspannung, die den meisten Eventualitäten gerecht wird.

Fast alle modernen Laptops verwenden Lithium-Ionen-Akkus (LiIon). Jede Batterie besteht aus mindestens einer Anzahl von LiIon-Zellen in einer Reihen-„Kette“ und kann aus einer Reihe paralleler Kombinationen mehrerer Reihen-Ketten bestehen.

Eine Lithium-Ionen-Zelle hat eine maximale Ladespannung von 4,2 V (4,3 V für Mutige und Tollkühne). Um eine 4,2-V-Zelle zu laden, ist mindestens etwas mehr Spannung erforderlich, um etwas „Headroom“ bereitzustellen, damit die Ladesteuerelektronik funktionieren kann. Mindestens etwa 0,1 V zusätzlich könnten ausreichen, aber normalerweise wären mindestens 0,5 V nützlich und es könnten mehr verwendet werden.

Eine Zelle = 4,2 V
Zwei Zellen = 8,4 V
Drei Zellen = 12,6 V
Vier Zellen = 16,8 V
Fünf Zellen = 21 V.

Es ist üblich, dass ein Ladegerät ein Schaltnetzteil (SMPS) verwendet , um die verfügbare Spannung in die erforderliche Spannung umzuwandeln. Ein SMPS kann ein Aufwärtswandler (erhöht die Spannung) oder ein Abwärtswandler (erniedrigt die Spannung) sein oder je nach Bedarf von einem zum anderen wechseln. In vielen Fällen kann ein Abwärtswandler effizienter gemacht werden als ein Aufwärtswandler. In diesem Fall wäre es mit einem Tiefsetzsteller möglich, bis zu 4 Zellen in Reihe zu laden.

Ich habe Laptop-Akkus mit gesehen

3 Zellen in Reihe (3S),
4 Zellen in Reihe (4S),
6 Zellen in 2 parallelen Strings von 3 (2P3S),
8 Zellen in 2 parallelen Strings von 4 (2P4S)

und mit einer Quellenspannung von 19 V wäre es möglich, 1, 2, 3 oder 4 LiIon-Zellen in Reihe und beliebig viele parallele Stränge davon zu laden.

Lassen Sie bei Zellen mit 16,8 V einen Headroom von (19−16,8) = 2,4 Volt für die Elektronik. Das meiste davon wird nicht benötigt und die Differenz wird vom Abwärtswandler ausgeglichen, der als „elektronisches Getriebe“ fungiert, Energie mit einer Spannung aufnimmt und sie mit einer niedrigeren Spannung und einem entsprechend höheren Strom ausgibt.

Mit beispielsweise 0,7 V Headroom wäre es eigentlich möglich, sagen wir 16,8 V + 0,5 V = 17,5 V von der Stromversorgung zu verwenden – aber die Verwendung von 19 V stellt sicher, dass genug für alle Eventualitäten vorhanden ist und der Überschuss nicht verschwendet wird, wenn der Abwärtswandler konvertiert die Spannung nach Bedarf herunter. Ein anderer Spannungsabfall als in der Batterie kann in SMPS-Schaltern (normalerweise einem MOSFET ), SMPS-Dioden (oder Synchrongleichrichtern), Verdrahtungen, Anschlüssen, resistiven Strommesselementen und Schutzschaltungen auftreten. So wenig Abfall wie möglich ist wünschenswert, um Energieverschwendung zu minimieren.

Wenn eine Lithium-Ionen-Zelle fast vollständig entladen ist, beträgt ihre Klemmenspannung etwa 3 V. Wie weit sie entladen werden darf, hängt von technischen Überlegungen in Bezug auf Langlebigkeit und Kapazität ab. Bei 3 V/Zelle haben 1/2/3/4 Zellen eine Klemmenspannung von 3/6/9/12 Volt. Der Abwärtswandler passt sich dieser reduzierten Spannung an, um die Ladeeffizienz aufrechtzuerhalten. Ein gutes Abwärtswandler-Design kann einen Wirkungsgrad von über 95 % erreichen und sollte bei dieser Art von Anwendung niemals unter 90 % Wirkungsgrad liegen (obwohl einige es sein können).

Ich habe kürzlich einen Netbook-Akku mit 4 Zellen durch eine Version mit erweiterter Kapazität mit 6 Zellen ersetzt. Die 4-Zellen-Version arbeitete in 4S-Konfiguration und die 6-Zellen-Version in 2P3S. Trotz der niedrigeren Spannung der neuen Batterie passte sich die Ladeschaltung der Änderung an, erkannte die Batterie und passte sich entsprechend an. Diese Art von Änderung in einem System vorzunehmen, das NICHT für die Aufnahme einer Batterie mit niedrigerer Spannung ausgelegt ist, könnte der Gesundheit der Batterie, der Ausrüstung und des Benutzers schaden.

Russells Antwort ( https://electronics.stackexchange.com/a/31621/88614 ) leistet hervorragende Arbeit bei der Betrachtung der Details. Diese Antwort konzentriert sich mehr auf die breiteren Aspekte Ihrer Frage.

Typischerweise akzeptieren mobile Geräte, die über eine netzbetriebene Versorgung verfügen, eine Spannung, die ein Vielfaches einer einzelnen Batteriespannung ist.

Ich glaube nicht, dass das allgemein stimmt.

Es stimmt, dass einige Geräte Leistungseingänge haben, deren Nennspannung ein Vielfaches der nominalen Zellenspannung beträgt. Es handelt sich in der Regel um Geräte, die entweder mit Netz- oder Batteriebetrieb betrieben werden können, aber ihre eigene Batterie nicht über das Stromnetz aufladen. Geräte, die ihre eigenen Batterien aufladen, sind eine andere Sache.

Im Allgemeinen möchten Sie, dass die Eingangsspannung Ihres Ladekreises während des gesamten Ladezyklus über Ihrer Batteriespannung liegt.

Eine Lithium-Ionen-/Polymer-Zelle hat nominell etwa 3,7 V, aber die zum vollständigen Aufladen benötigte Spannung liegt eher bei 4,2 V, und die Spannung bei vollständiger Entladung kann eher bei 3 V liegen. Laptop-Akkus haben im Allgemeinen 3-4 Zellen in Reihe. 19 V bieten also einen angemessenen Headroom für die Ladeschaltung.

Mobiltelefone, Tablets und ähnliche Mobilgeräte mit einzelligen Lithium-Ionen-Akkus verwenden in der Regel eine Eingangsspannung von 5 V. Ich bin mir sicher, dass dies teilweise auf den Wunsch zurückzuführen ist, USB zu betreiben, aber auch, weil es einen angemessenen Spielraum zum Laden eines einzelligen Lithium-Ionen- / Polymer-Akkus bietet.

Dies ist eine ausgezeichnete "umgekehrte" Konstruktionsfrage.

Alle mobilen Computer verwenden möglicherweise eine ähnliche Abwärtskonverter-DC-DC-Batterieladegerät-Philosophie, können jedoch unterschiedliche Chips und Profile verwenden, die vom Laptop und nicht vom externen Ladegerät verwaltet werden. Oft kann ein breiterer Bereich von Ladespannungen mit mehr Kapazität verwendet werden, da im Inneren die Möglichkeit besteht, einen Bereich von Eingängen herunterzuregeln, der oft breiter als angegeben ist. Extreme Reichweiten können die Effizienz verringern und die maximale Leistung während des Entladens erhöhen, während das Display auf voller Helligkeit ist. Die Hintergrundbeleuchtung ist der größte konstante Anziehungspunkt und die CPU/GPU haben die größten Spitzen für den Hochleistungseinsatz. (i7 Quad-Cores usw.)

Universelle Batterieladegeräte.
Ich habe während einer langen Autofahrt ein Universal-Ladegerät gekauft. Später entschied ich mich, es zu verwenden, um 60 Watt LEDs anzutreiben. Das Ladegerät wurde bei 15 ~ 24 V, 63 W max. spezifiziert. Es hatte einen 6-Pin-Header kurz vor den austauschbaren Koaxial-Netzsteckern. Einer der Stifte war eine Fernerfassungsleitung für die Steckerspannung, um den DC-Leitungsverlust zu kompensieren. Ich habe den Eingang charakterisiert und festgestellt, dass er verwendet werden kann, um den Ausgang von 5 bis 50 V mit einem 2,5-V-Eingangssteuerbereich zu regeln, der um 3 V zentriert ist. Ich habe einen Log Pot, ein paar Widerstände, eine LED und eine Kappe verwendet, um diesen benutzerdefinierten Dimmer von 10 bis 100 % mit der gesamten verfügbaren Leistung zu steuern, und meine Frau war sehr zufrieden mit dem LED-Sonnenschein über dem Erkerfenster mit blendfreien schwarzen Eierkisten. Es war etwa 3x heller als direktes Sonnenlicht auf max.

In jedem Fall muss jeder mobile Computer die externe Versorgung regulieren, damit die genaue Spannung nicht so kritisch ist und Sie mit einer größeren Bandbreite davonkommen können. Je niedriger die Eingangsspannung, desto höher der Strom und umgekehrt, es sollte funktionieren, aber die Effizienz kann über den Bereich variieren.

Die meisten Mobiltelefone neigen dazu, mit niedrigeren Zellenspannungen zu laufen, um den ESR des Packs zu reduzieren, was den Spannungsabfall unter Last und die Kreuzregulierungswelligkeit beeinflusst, die sich auf weitere Regler ausbreitet, die an Bord für interne CPU/E/A und Peripheriegeräte z 5 & ​​12V.

Größere mobile PC-Pakete umfassen;

9 Zellen = 10,1 V (3P3S) 10 Zellen = 7,4 V (5P2S) 12 Zellen = 14,8 (3P4S)

Nützliches Factoid: Sie können einen mobilen Computer ohne installierte Batterie betreiben, da dieser Batteriemanagementregler einfach nicht zum Betrieb der internen DC-DC-Regler verwendet wird. Dies dient dazu, die Wärmebelastung alter Laptops zu reduzieren und die Alterung der Batterie durch Wärme zu reduzieren, selbst wenn sie zu 100 % ohne Entleerung bleiben. (Aber Sie werden bei einem Stromausfall heruntergefahren.)

Sie können auch ein größeres Ladegerät mit ausreichender Spannung verwenden, um auf die Batteriespannung herunterzuschalten, und die Leistung sollte sich nicht wesentlich auf die Effizienz auswirken, solange ausreichend Strom vorhanden ist.

Die Betriebszeit eines Laptops im Akkubetrieb hängt davon ab, wie viel Watt der Laptop verbraucht und wie viele Wattstunden die Akkus enthalten. Der durchschnittliche Verbrauch im Laufe der Zeit ist ziemlich konstant, obwohl die Helligkeit des Bildschirms, insbesondere bei großen, einen bemerkenswerten Einfluss hat.

Wie andere angesprochen haben, haben Laptops Lithiumbatterien, und um eine längere Betriebszeit zu erreichen, benötigen Sie mehr Energie (Wattstunden), sodass Sie mehr Batterien oder Batterien mit größerer Kapazität benötigen. Die Größe des Laptops begrenzt im Allgemeinen die Batteriegröße, sodass durch die Verwendung von mehr Batterien mehr Leistung erzielt wird, und im Allgemeinen werden diese Batterien in Reihe geschaltet (weniger Schaltung erforderlich (= billiger), um richtig aufzuladen, wenn die Batterien in Reihe und nicht parallel geschaltet sind). ergibt dann die rohe Betriebsspannung des Laptops. Interne DC/DC-Wandler nehmen dann diese ungeregelte Rohspannung und erzeugen die geregelten Niederspannungen (3,3 VDC usw.), die die Elektronik benötigt.

Um diese Batterien aufzuladen, benötigt die interne Ladeschaltung eine Eingangsspannung, die etwa ein Volt höher ist als die Spannung der vollständig geladenen Lithiumbatterien. Auch das in China hergestellte externe Netzteil hat eine Ausgangstoleranz von typischerweise +/-5 %. Es ist erwähnenswert, dass die tatsächliche Ausgangsspannung an der Betriebslast gemessen werden muss. Ohne Last wird es immer höher sein, da der IR-Abfall (Strom x Widerstand) im DC-Kabel und die Lastregelung der externen Stromversorgung im Allgemeinen etwas negativ sind.

Netzteile für kritische Anwendungen haben eine Funktion namens "Sense", die die Ausgangsspannung an der Last oder am Stecker misst und den IR-Verlust automatisch kompensiert, aber ich habe es noch nie in einem externen Netzteil gesehen. (obwohl wir eine kundenspezifische für eine 5-V-/80-W-Anwendung für das Militär bauen, da die IR-Verluste bemerkenswert sind, da 18 A durch nur wenige Meter Kupferdraht fließen)

Berücksichtigen Sie all dies und die üblicherweise verwendeten 4 Lithium-Batterien in Reihe für "größere" oder längere Laptops, die mit Batterien betrieben werden, und Sie benötigen am Ende ein externes Netzteil mit nominal 19 VDC, das tatsächlich zwischen 17 und 20 VDC liegen könnte. Die internen DC/DC-Wandler zur Erzeugung der niedrigeren DC-Spannungen und die Batterieladeschaltung akzeptieren problemlos diesen Bereich plus wahrscheinlich noch ein paar Volt mehr. Sie können die niedrigere Akzeptanzspannung testen, indem Sie ein Netzteil mit variablem Ausgang verwenden und die Spannung herunterdrehen, bis die "Ladeanzeige" erlischt. Allerdings müsstest du diese Spannung am Stecker messen. Testen Sie NICHT die hohe Akzeptanzspannung, da Sie leicht die DC/DC-Wandler ausblasen können, wodurch Ihr Laptop kaputt geht, und dies im Allgemeinen Ihr einziger Hinweis darauf ist, dass die Eingangsspannung zu hoch ist.

Übrigens werden die 19 VDC auch benötigt, um die Wattstunden für längere Laufzeiten und den Strom in den größeren Laptops zu senken, da der allgegenwärtige Hohlstecker nur für 5 A ausgelegt ist - und das ist ein wirklich guter. Die meisten sind 2-3A. Das ist der Hauptgrund, warum Sie diesen Stecker nicht ein- und ausstecken möchten, wenn Ihr PC eingeschaltet ist, da Sie die Kontakte verbrennen und schließlich zu einem unzuverlässigen Kontakt in diesem Stecker führen.

Weitere Informationen zu PC-Anschlüssen finden Sie unter: https://en.wikipedia.org/wiki/DC_connector

Übrigens, PCs haben auch eine Batterie-"Gasanzeige", die Ihnen anzeigt, wie viel Laufzeit Sie im Batteriebetrieb haben. Dieses "Messgerät" muss den Strom verfolgen, der in die Batterien ein- und ausgeht. (Es wird eher die Strombilanz als die Energie überwacht, da die aktuelle Entladungs-/Ladeeffizienz fast 100 % beträgt, während die Energieeffizienz variiert und deutlich unter 100 % liegt). Während sie in Echtzeit ziemlich genau sind, weisen sie Fehler auf, die sich im Laufe der Zeit ansammeln, und die Kapazität der Lithiumbatterien nimmt mit Alter, Betriebstemperatur und Ladezyklen ab. Dies führt oft dazu, dass Ihr PC Ihnen "mitteilt", dass Sie keine verbleibende Laufzeit haben und herunterfahren wird, obwohl der Akku möglicherweise noch zu 50 % aufgeladen ist, was Sie dazu veranlasst, einen neuen zu kaufen (und teurer) Akkupack. Wenn dieser Ersatzakku eingesteckt wird, erkennt der PC diesen neuen Akku und setzt seine Akkukapazitätseinstellungen zurück. Tief unten in (einigen/vielen/den meisten?) PCs gibt es eine Kalibrierungsroutine für die Batteriekapazität. Wenn Sie darauf zugreifen können, durchläuft der PC eine Routine zum Entladen und Wiederaufladen des Akkus ein paar Mal, um die Akkukapazität neu zu kalibrieren, was Ihnen ein oder zwei weitere Jahre mit dem Originalakku gibt, wenn auch mit abnehmender Betriebszeit.

Die 19 Volt sollen den Akku laden, der mehrere Li-Ion-Zellen in Reihe hat. Die Laptop-interne Elektronik wird über einen Schaltregler aus der Batteriespannung und/oder den 19 Volt des Netzteils versorgt. Dies ergibt eine anständige Laufzeit für den Laptop, da die Akkuspannung durch Entladung während des Gebrauchs abfällt. Dies ist der EINZIGE Grund für 19 Volt. Es hat NICHTS mit den eigentlichen Interna des Laptops zu tun, außer dem internen schaltgeregelten Netzteil, das sich an die sich ändernde Batteriespannung anpasst und konstante, geregelte Spannungen für interne Systeme (CPU, RAM, Festplatte usw.) bereitstellt.